基于VR技術的裝備維修一體化教學研究與實踐

薛雪東 朱正東 高冬冬 殷保衛

摘要：為適應新時代軍隊裝備實踐教學改革趨勢，培養備戰打仗所需要的新型軍事人才，本文開展了基于虛擬現實技術的裝備一體化教學研究與實踐，論述了虛擬現實技術的概念與特性及其在軍內外實踐教學中的應用現狀；從教員“教”、學員“學”、裝備“用”三個角度，分析了虛擬現實技術應用在裝備維修一體化教學中的優勢；以教研團隊所開發的虛擬維修訓練系統為例，介紹了運用虛擬現實技術開展裝備維修一體化教學實踐的方法，為裝備維修一體化教學改革提供了借鑒。

關鍵詞：虛擬現實技術；裝備維修一體化教學；戰場搶修

軍士職業教育以培養新時代備戰打仗的新型軍事人才為目的，突出學員實踐能力的培養?，F階段，大部分軍士事業技術教育院校仍采取實裝與模擬訓練器相結合的方式開展實踐教學，存在著裝備損耗大、場地時間要求高、故障科目設置受限、無法開展戰場搶救搶修訓練的現實問題，影響了裝備維修實踐訓練效果。虛擬現實（VR）技術作為模擬訓練的一種技術手段，為當前軍事院校的裝備實踐教學提供了新思路。本文對基于虛擬現實技術開展裝備維修一體化教學進行了研究與實踐。

1虛擬現實技術在軍內外實踐教學中的應用現狀分析

1.1虛擬現實的概念及特性

VR技術指人通過視覺、聽覺、觸覺等感覺渠道，與微處理器或計算能力更強的計算機進行實時交互。VR技術具有三個最顯著的特性：沉浸性、交互性、想象性。沉浸性，指VR設備使用者的感官完全只與虛擬世界相交流，使自身所有注意力集中于計算機投影到眼中的景物，達到高度“沉浸”在虛擬的環境中。交互性，指使用者不僅可以用手勢、動作命令、語音命令對“虛擬世界”發起控制指令，而且可以得到“虛擬世界”反饋回的信息，就像與現實中的人進行交流一樣。想象性，指VR技術被用來為人們服務時，其發揮的功能與產生的作用很大程度上取決于開發者的想象力，即VR雖然是一種高端的人機接口，但決定技術走向的最終因素還是人，而不是技術本身的性能。

1.2虛擬現實技術在軍內外實踐教學中的應用現狀

VR技術在航空、制造、環境、娛樂、軍事等領域都有很多成功的應用案例。在軍事領域，裝甲兵學院電氣系某教授帶領團隊于2017年研制出基于增強現實的某型裝甲車模擬拆裝系統，為學員提供了一種快捷方便的裝甲車結構與原理學習途徑。陸軍工程大學某團隊以VR為技術手段，建成了一套適用性強的裝備培訓系統。在非軍事領域，VR技術被較早應用在了教學領域。如北京航空航天大學的智能制造學院，對虛擬現實技術的底層技術進行了長時間的研究，并將研究成果應用在了包括教育在內的各種領域。大連理工化學與材料學院建設了一間虛擬化學實驗室，解決了實驗藥劑短缺、學生實驗積極性不高、實驗安全性不高等教學難題。

2裝備維修一體化教學

裝備維修一體化教學，是指在裝備維修教學中打破傳統的教員“教”、學員“學”的教學模式，讓學生在教中做、做中學，使理論教學與實踐教學融為一體。一體化實訓教學條件的建設，是實施“教、學、練、戰”一體化教學的關鍵載體，應運用虛擬現實、大數據、人工智能等技術搭建一體化的自主學習訓練平臺，兼具理論教學、實踐訓練、考核評估等多種功能，使學員能夠運用自主學習訓練手段自主學習、自主實踐、自主考核，從而激發學生學習興趣和內動力，增強學生的主觀能動性，提高自主學習能力。

3虛擬現實技術應用于裝備維修一體化教學中的優勢

3.1激發學員學習興趣，提高學員自主學習能力

傳統的裝備實踐教學主要運用實際裝備在固定的訓練場地，采用講解示范、分組訓練、比武競賽等傳統模式組織實施。隨著教學時長以及訓練次數的增多，容易引起受訓者訓練的疲勞感，其學習的積極性也會逐漸降低，影響教學訓練效果。

運用虛擬現實技術開發裝備維修訓練平臺，可以使學員置身于沉浸式的實戰環境，使人如身臨其境，激發學員裝備實踐訓練的興趣，提高學習的積極性。同時，虛擬維修訓練軟件中設置誤操作告警功能，學員操作錯誤時進行語音提示，能夠加深學員的印象，改正錯誤動作，也避免由于誤操作導致裝備損壞。

3.2擺脫客觀因素制約，提高實踐教學的靈活性

運用虛擬維修訓練平臺組織教學，能夠將實裝上難以觀察到的部組件拆裝過程，直接以三維立體形式呈現，使學員形象直觀地學習裝備修理方法步驟，促進了學員的認知加工與知識建構過程，有助于實現知識與技能的不斷深化。在室內固定的場地同步開展多組別、多人次訓練，不會產生裝備的損耗甚至造成裝備損壞，擺脫了客觀因素的制約，提高了實踐教學的靈活性。

3.3構設復雜戰場環境，解決搶修訓練無手段的難題

虛擬現實技術應用到裝備戰場搶救搶修訓練中，將有助于解決以上問題。首先，虛擬現實開發組件可模擬出真實戰場環境的硝煙與燒毀效果，令受訓者身臨其境，最近距離感受戰場環境的緊迫感。其次，虛擬現實技術可針對所設計的戰損點提供所有特制的戰場搶修工具，包括各種電路板備件、執行機構備件、自制工具等，為受訓者提升裝備搶修能力提供保障。

4基于虛擬現實技術的裝備維修一體化教學實踐

筆者所在的課程組在CBE教學理論的指導下，以某型裝備維護與修理課程為例，開展了“教、學、練、戰”一體化課程教學改革，基于虛擬現實技術構建交互式虛擬維修訓練系統，為學生開展實踐科目的自主訓練提供了可能。學生可以在自學MOOC課程的基礎上，運用已經掌握的知識和方法，利用虛擬維修訓練系統進行開放性、探索性的訓練，不受時間、地點、天氣、裝備損耗的限制，提高了實踐教學訓練效果。

4.1運用虛擬現實技術開展理論教學

基于虛擬現實技術開展課堂理論教學時分兩個階段，第一階段：將受訓學員分為員額較少的“實裝組”與員額較多的“虛擬組”，教員帶領“實裝組”進行傳統面授式的裝備理論學習，“虛擬組”受訓學員穿戴虛擬現實設備進入理論學習模塊；第二階段：兩個學習組人員對調，原“虛擬組”學員帶著在虛擬現實設備中學習的疑問進行實裝的理論學習，而原“實裝組”學員對裝備結構與原理有著更深入的理解，可自行在虛擬空間中對實裝學習時的知識點進行檢驗。

4.2運用虛擬現實技術開展實踐教學

（1）操作使用訓練。在沉浸式的訓練環境中，學員按照實裝操作流程扳動開關、按鈕，進行軟件操作，模擬再現實裝動作，還可以借助幫助功能進行查找幫助，操作步驟錯誤時無法繼續進行，并進行誤操作提示，使學員熟練掌握裝備結構布局、操作方法步驟，從而提高學員實際動手能力。

（2）典型故障分析與排除訓練。在虛擬維修訓練系統中設置開關、電路板、部組件等故障，模擬裝備典型故障現象，讓學員發現故障、判讀故障、分析故障、排除故障，學會選擇合適的檢測設備和修理工具排除典型故障，提高學員分析問題、解決問題的能力，夯實裝備維修技能。

（3）裝備拆裝訓練。教員可以利用虛擬維修訓練系統的大屏幕投影功能進行裝備拆裝的講解示范，學員實時多客戶端觀摩，各客戶端能以統一或多視角收聽收看。學員在虛擬維修訓練系統軟件中選擇拆裝訓練模塊后，系統軟件首先會演示拆裝過程動畫，同步講解裝拆方法步驟，學員即可以選擇相應的工具進行拆裝訓練，了解部組件的功能、結構特征和基本原理，在實踐訓練中鞏固復習結構原理知識，實現了理論與實踐相融合，提高了實踐教學訓練效果。

4.3運用虛擬現實技術開展戰場搶救搶修訓練

裝備戰場搶救搶修訓練的難點在于復雜戰場環境的構設。筆者所在的教研團隊開發的虛擬維修訓練系統很好地解決了這一問題。虛擬戰場環境由三維虛擬數字化地形、虛擬戰場氛圍渲染兩部分組成，其中虛擬數字化地形主要通過模擬“山岳叢林”“高寒山地”等典型的地理特征用于實戰地形訓練；虛擬戰場氛圍渲染，主要是開發出虛擬戰場上的攻擊爆炸效果、毀傷狀態、戰場音效等一切與真實戰場有關的各類特效。使受訓人員在虛擬戰場環境里獲取真實的、身臨其境的戰場體驗，感受到戰場的壓力、克服戰場恐懼心理，同時完成各項任務。

4.4 運用虛擬現實技術進行考核評價

在虛擬維修訓練系統中的開發考核評價系統，能夠對學員的裝備實踐訓練過程進行全流程、全要素監控、評價，從而客觀地反映學員訓練水平?？己嗽u價系統通過將實踐訓練科目的所有步驟細化分解到最小單元，賦予一定的分值和權重，對學員的操作步驟、工具設備選擇與使用、裝備操作安全性和實踐訓練效果進行量化評分，如果違規操作則直接判定不及格。教員和學員均可以在系統中查詢每個訓練科目得分的具體情況，并進行數據分析，既能夠評價反饋學員的訓練效果，又能夠為教員和學員進行訓練改進提供科學依據，促進教學質量提升。

5結語

運用虛擬現實技術開展裝備維修教學，能夠有效彌補實裝訓練的不足，但受當前虛擬現實技術水平的限制，還存在一定的局限性。第一，通過對使用者調研，有相當一部分人在穿戴虛擬現實設備超過15分鐘后會產生暈眩、眼澀等不適感，而15分鐘的使用時間一般很難覆蓋當節課的訓練任務，所以虛擬現實設備的穿戴舒適度有待提高；第二，該技術需開發者熟練掌握Unity3D、數據庫等多種開發軟件，開發難度較大，開發周期長，維護工作量大，還要兼顧模型的建立與系統的開發，需要不斷地迎合武器裝備的更新。

參考文獻

[1]張仲華，趙欣，邱磊，聶秀輝.VR技術在裝備實訓教學中的應用[J].電腦知識與技術，2021（17）：103-104.

[2]王同聚.虛擬和增強現實（VR/ AR）技術在教學中的應用與前景展望[J].數字教育，2017（1）.

（作者單位：陸軍工程大學軍械士官學校）